CN108872387A - 超声相控阵检测成像*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声相控阵检测成像***，包括相控阵超声探头、收发电路、信号处理模块、主控模块和人机交互模块，相控阵超声探头通过收发电路连接信号处理模块，信号处理模块连接主控模块，主控模块连接人机交互模块；信号处理模块：将主控模块的检测控制信息转换为电脉冲控制信号，控制收发电路的发射电路，进而控制超声阵列探头激发相应声束到被检对象；超声波束遇到对象内部缺陷被反射，经由接收电路进行检测回波信号的采集后，对采集的检测回波信号进行处理后得到检测回波数据，并将检测回波数据回传给主控模块；该***通过改变检测参数的配置，可灵活调整扫查覆盖面，检出缺陷部位，保证检测速度与精度。

Description

超声相控阵检测成像***

技术领域

本发明涉及一种超声相控阵检测成像***，针对工业现场、机械部件及油气管道等设施进行裂纹、腐蚀等损伤检测，以评估其安全状况的无损探伤设备。

背景技术

在现代工业领域中，无损检测(NDT)技术是不可或缺的一部分。工业生产过程中的产品设计、成品检验、服役设备性能评估等各个方面，都需要相应无损检测技术的支持。经过损伤检测的机械类产品能够增值5％，国防、原子能等产品增值12～18％，火箭甚至达到20％。可见，无损检测技术所能带来的经济效益非比寻常。

超声相控阵(UPA)技术由于其优越的声束可达性，具有探测范围广、探测角度灵活、探测效率高、探测效果好、探测结果可视等优良特性。该技术自诞生以来，凭借其自身优势，迅速成为无损检测领域的焦点与研究热点，并在运输、核电、航空航天等工业领域发挥了重要的作用，带动了诸多行业的发展。

超声相控阵技术的核心，在于若干压电晶片组合而成的相控阵阵列探头。通过对探头中每个阵元被激发时间的控制，来达到超声波的相控发射；通过各阵元所接收回波信号的延时叠加，来达到相控接收。由此，对超声波束的偏转、聚焦加以实现，完成被检对象探测区的范围扫查及聚焦成像等任务。

该技术特有的线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等工作方式，可在不移动或少移动探头的情况下，灵活地对零件进行高效率检测。相较于传统的单晶片超声检测，超声相控阵的声束更灵活、检测速度更快、分辨率更高、更适用于形状复杂的零部件检测。

国内相继推出了少数用于实际检测的超声相控阵仪器***，如中北大学研究了一系列的相控阵声场特性，并通过一套16通道的高精度相控阵超声触发***，将延时分辨率精确到10ns。

但此类产品大部分针对性较强，其中涉及到一些关键技术的运用还不够成熟，精确度相对不足，成本也不够经济。因此，超声相控阵检测成像***的仪器化、数字化、便携化、多功能化，在现阶段依然有着较为深刻的发明与研究意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声相控阵检测成像***，针对目前工业现场对于检测仪器的便携化发展需求，设计了一套体积较小的***，在保证检测质量的同时兼顾便携的需求，解决现有技术中存在的超声相控阵检测成像***在精确度、仪器化、数字化、便携化、多功能化方面相对不足的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种超声相控阵检测成像***，包括相控阵超声探头、收发电路、信号处理模块、主控模块和人机交互模块，相控阵超声探头通过收发电路连接信号处理模块，信号处理模块连接主控模块，主控模块连接人机交互模块，

相控阵超声探头：用以放置在被检测工件表面，并通过耦合剂与被检测工件耦合，依据设定的聚焦法则，产生对应角度与聚焦深度的超声波束；

收发电路：依据信号处理模块下发的电脉冲控制信号，产生电脉冲信号，并实现检测回波数据采集，包括发射电路和接收电路；

信号处理模块：实现主控模块的检测配置参数下发，负责控制发射电路的激励，将主控模块的检测控制信息转换为电脉冲控制信号，控制收发电路的发射电路，进而控制超声阵列探头激发相应声束到被检对象；超声波束遇到对象内部缺陷被反射，经由接收电路进行检测回波信号的采集后，对采集的检测回波信号进行处理后得到检测回波数据，并将检测回波数据回传给主控模块；

主控模块：对外接收用户信息，依据用户的配置参数，根据偏转聚焦法则计算发射时延，如图4，得到检测控制信息，并将检测控制信息发送给信号处理模块；接收信号处理模块发送的检测回波数据，进行存储并由人机交互模块进行显示；

人机交互模块：对设定的检测参数以及检测回波数据进行显示，实现人机交互，并通过Qt提供的事件与信号/槽机制和***的各模块进行交互。

进一步地，主控模块包括参数配置单元、数据通讯单元、数据处理单元和数据管理单元，

参数配置单元：接收来自用户的参数配置，包括探头参数以及检测参数，根据所选择的扫查方式，计算相应的延迟时间，该延迟时间用于相控激励以及后期波束合成，并将该延迟时间下发至信号处理模块进行前端收发电路的控制；

数据通信单元：完成对信号处理模块写检测参数，以及接收信号处理模块回传的检测回波数据；

数据处理模块：负责对检测回波数据进行成像显示前的处理操作；

数据管理单元：进行成像或配置数据的存储。

进一步地，主控模块的数据处理单元实现A扫波形和S扫成像两种成像方式，A扫波形显示探头所有阵元接收的超声回波经过延时补偿、声束合成而得到的单次扫查线；对A扫波形成像，采用Hilbert变换对回波信号进行包络处理；S扫成像显示探头正下方试块设定角度内的纵切面情况；对S扫波形成像，通过数字扫描变换进行坐标变换，采用双线性插值的方法得到所显示点对应的像素值，采用彩色图像对S扫结果进行显示，将回波信号的幅值映射为红绿蓝RGB三色分量，以颜色来区分幅值大小，在相应缺陷处得到直观的成像。

进一步地，信号处理模块依据主控模块的检测参数包括A扫查和S扫查进行配置参数下发，具体为，A扫查只有一线数据，只需要通过配置参数计算一次延时；而S扫查相当于进行多次不同偏转角度的A扫查，在各项检测参数配置后，对应每一次A扫查，重新计算延迟时间；设置S扫查时，每次进行一个角度的扫查，由主控模块计算所需的控制数据，下发给信号处理模块并启动一线数据的检测；声束返回后，通过中断配合DMA方式将数据进行回传，结束后，重复此过程进行下一个角度的扫查，直至达到检测参数配置值。

进一步地，主控模块采用ARM芯片S5PV210，数据处理模块采用FPGA芯片EP4CE15F17C8N。

进一步地，信号处理模块通过FPGA对检测回波信号进行处理包括串并转换、通道对齐，信号处理模块与主控模块之间的接口采用总线连接方式，信号处理模块与主控模块之间采用结合中断与DMA方式进行数据传输。

进一步地，信号处理模块与主控模块之间采用结合中断与DMA方式进行数据传输，具体为：

进行相控超声检测时，经过前端收发电路处理的多路检测回波信号被送入FPGA中的M9K存储器，M9K存储器接收到所配置深度的数据后，向ARM处理器发出中断申请，通知其读取FPGA中存储的数据值；

ARM处理器响应中断后，通过相应的中断处理程序进行FPGA中M9K存储器中数据的读取；在中断处理程序中，优先清除ARM处理器中的各中断相关寄存器的相应位；

在中断后，使用DMA方式进行FPGA与ARM处理器之间的数据传输，读取目标地址中的数据至源地址。

进一步地，该种超声相控阵检测成像***的检测过程为，

调整一维线性探头的排列方向与被检测工件的检测面垂直；相控阵超声探头固定放置在被检测工件表面，二者通过耦合剂进行耦合；主控模块的检测控制信息被转换为电脉冲信号，以不同的延迟时间分别激励相控阵超声探头的各探头阵元；根据设定的聚焦法则进行扫查工作，相控阵超声探头采集的检测回波信号经过信号处理模块处理后得到检测回波数据，并发送给主控模块，由主控***进行存储及成像。

进一步地，该种超声相控阵检测成像***的检测过程具体为：

步骤1、安置被检测工件，确定其需要检测的部分，调整线性探头的排列方向与工件待检测面垂直，将相控阵超声探头放置于被检测工件上，并通过耦合剂将两者进行耦合；

步骤2、启动***主机，根据检测需求，通过人机交互模块设置探头参数与检测参数，完成后保存本次配置；

步骤3、启动检测，主控模块接收设定的检测参数，并根据相应的偏转聚焦法则计算探头阵元所需的发射时延，计算结果向发射控制电路传递，进而控制相控阵超声探头激发相应声束到被检对象；

步骤4、相控阵超声探头激励所产生的超声波束在被检测工件中传播，遇到其内部缺陷后被反射，该反射携带着缺陷信息，经由接收电路采集后，进入信号处理模块进行处理后得到检测回波信号；

步骤5、将检测回波信号传输至主控模块，对检测数据进行存储；

步骤6、在人机交互模块中进行相应的成像显示。

本发明的有益效果是：相比于现有的超声相控阵检测成像技术与***，本发明具有以下明显的优势和特征：

一、本发明的超声相控阵检测成像***，超声探头由线性排列的多个阵元构成，能够通过不同的聚焦法则，产生各种角度与聚焦深度的超声波束，因此，无需移动或少移动被检测物体，即可对其某个截面进行扫查。这一特点减少了人为操作而引入检测的误差，使得检测结果更为精确。同时，由于超声相控阵阵列探头优越的声束可达性，使得***的探测范围大，探测深度可变，适用于一些不规则形状物件的检测，或是常规检测设备难以进行操作的情况。

二、相比于传统超声的单探头扫查成像，本发明的相控阵阵列探头检测成像的分辨率更高，因而，***的检测精度也随之提高，能够检出更细小的缺陷。且由于探头阵列数目多，即使个别出现问题，也不会对整体探测结果造成严重影响，增强了***的抗干扰能力。

三、本发明的相控阵探头的单次扫查线(A扫查)，是探头所有阵元接收的超声回波经过延时补偿、声束合成而得到的。传统单探头的单次扫查线(A扫描)仅是探头接收的一线超声回波。相比于传统单探头，本发明在发射时，所有阵元在被检元件中产生的声场相干叠加，接收时，各阵元接收的回波信号同相相加，反相相消，信号强度更大。

四、本发明***在搭建时充分考虑自身的便携性，基于超声相控阵技术原理，主控模块选用ARM芯片S5PV210，数据处理模块选用Cyclone IV系列FPGA芯片EP4CE15F17C8N，结合FPGA强大的数据处理能力与ARM优越的控制能力，人机交互模块采用基于Linux和Qt平台的嵌入式***设计方案。在软硬件通讯方面，使用DMA方式进行大量检测数据的回传，保证检测成像结果的实时性与准确性。

附图说明

图1是本发明实施例超声相控阵检测成像***的说明框图。

图2是实施例超声相控阵检测成像***的检测示意图。

图3是实施例中参数配置单元的参数配置流程示意图。

图4是实施例中超声相控阵工作方式的说明示意图。

图5是实施例中S扫查的流程示意图。

图6是实施例中DMA传输的软件配置流程示意图。

图7是实施例中通过数字扫描变换(DSC)进行坐标变换的说明示意图。

图8是实施例***采用双线性插值的方法得到所显示点对应的像素值的原理说明示意图。

图9是实施例中超声相控阵检测成像***A扫描成像示意图。

图10是实施例中超声相控阵检测成像***扇形扫描成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种超声相控阵检测成像***，如图1，包括相控阵超声探头、收发电路、信号处理模块、主控模块和人机交互模块，相控阵超声探头通过收发电路连接信号处理模块，信号处理模块连接主控模块，主控模块连接人机交互模块，

相控阵超声探头：用以放置在被检测工件表面，并通过耦合剂与被检测工件耦合，依据设定的聚焦法则，产生对应角度与聚焦深度的超声波束；

收发电路：依据信号处理模块下发的电脉冲控制信号，产生电脉冲信号，并实现检测回波数据采集，包括发射电路和接收电路；

信号处理模块：实现主控模块的检测配置参数下发，负责控制发射电路的激励，将主控模块的检测控制信息转换为电脉冲控制信号，控制收发电路的发射电路，进而控制超声阵列探头激发相应声束到被检对象；超声波束遇到对象内部缺陷被反射，经由接收电路进行检测回波信号的采集后，对采集的检测回波信号进行处理后得到检测回波数据，并将检测回波数据回传给主控模块；

主控模块：对外接收用户信息，依据用户的配置参数，根据偏转聚焦法则计算发射时延，得到检测控制信息，并将检测控制信息发送给信号处理模块；接收信号处理模块发送的检测回波数据，进行存储并由人机交互模块进行显示；其中偏转聚焦法则为对于相控探头阵元延迟时间的相应控制算法，如图4，(a)为线性扫查，(b)为声束偏转，(c)为动态聚焦。

人机交互模块：对设定的检测参数以及检测回波数据进行显示，实现人机交互，并通过Qt提供的事件与信号/槽机制和***的各模块进行交互。

实施例***，主控模块根据相应的聚焦法则，来计算发射电路激励每一个探头阵元所需要的延迟时间，并通过通信总线传输给信号处理模块，再由信号处理模块负责控制发射电路的激励；在一轮检测之后，反射回多路超声波束，由前端电路对其进行采集接收，并交由信号处理模块对各路检测回波信号完成一系列数据处理，得到检测回波数据，通过通信总线将其传输至主控模块，进而完成更进一步的处理或成像。

实施例的的超声相控阵检测成像***，超声探头由线性排列的多个阵元构成，能够通过不同的聚焦法则，产生各种角度与聚焦深度的超声波束，因此，无需移动或少移动被检测物体，即可对其某个截面进行扫查。这一特点减少了人为操作而引入检测的误差，使得检测结果更为精确。同时，由于超声相控阵阵列探头优越的声束可达性，使得***的探测范围大，探测深度可变，适用于一些不规则形状物件的检测，或是常规检测设备难以进行操作的情况。

相比于传统超声的单探头扫查成像，实施例***的相控阵阵列探头检测成像的分辨率更高，因而，***的检测精度也随之提高，能够检出更细小的缺陷。且由于探头阵列数目多，即使个别出现问题，也不会对整体探测结果造成严重影响，增强了***的抗干扰能力。

实施例中，主控模块包括参数配置单元、数据通讯单元、数据处理单元和数据管理单元，

参数配置单元：如图3，接收来自用户的参数配置，包括探头参数以及检测参数，根据所选择的扫查方式，计算相应的延迟时间，该延迟时间用于相控激励以及后期波束合成。计算的延迟时间需要传递到硬件部分，才能够完成设备的检测操作，故将其下发至信号处理模块进行前端收发电路的控制；

数据通信单元：完成对信号处理模块写检测参数，以及接收信号处理模块回传的检测回波数据；下与驱动层沟通，提供数据读写接口；

数据处理模块：负责对检测回波数据进行成像显示前的处理操作；

数据管理单元：进行成像或配置数据的存储。

实施例***通过改变检测参数的配置，可灵活调整扫查覆盖面，检出缺陷部位，保证检测速度与精度。

实施例***涉及到两种方式的扫查，包括A扫查和S扫查，其中，A扫查只有一线数据，只需要通过配置参数计算一次延时；而S扫查相当于进行多次不同偏转角度的A扫查，在各项检测参数配置后，对应每一次A扫查，需要重新计算延迟时间。

实施例中，设置S扫查的流程如图5所示，每次进行一个角度的扫查，由主控模块计算所需的控制数据，下发给FPGA并启动一线数据的检测。声束返回后，通过中断配合DMA方式将数据进行回传，结束后，重复此过程进行下一个角度的扫查，直至达到检测参数配置值。

实施例的相控阵探头的单次扫查线(A扫查)，是探头所有阵元接收的超声回波经过延时补偿、声束合成而得到的。传统单探头的单次扫查线(A扫描)仅是探头接收的一线超声回波。相比于传统单探头，本发明在发射时，所有阵元在被检元件中产生的声场相干叠加，接收时，各阵元接收的回波信号同相相加，反相相消，信号强度更大。

实施例中，通过主控模块中的数据处理单元实现两种成像方式，即A扫波形和S扫成像两种。实施例能够实时显示A扫波形以及S扫图像。参考图9，A扫波形显示探头所有阵元接收的超声回波经过延时补偿、声束合成而得到的单次扫查线；参考图10，S扫成像显示探头正下方试块一定角度内的纵切面情况。实施例的成像显示分一维A扫回波数据和二维S扫色彩映射图像。其中，A扫即一次扫描返回的一线回波幅值数据，S扫即通常所说的扇形扫描。操作时，在***的交互界面可以进行相应参数的设置。

对于A扫成像来说，对检测回波数据的超声回波幅值进行包络提取所显示的波形已足够识别出缺陷，且该显示方式的数据量小，效果更加清晰直观。实施例采用Hilbert变换对回波信号进行包络处理，效果良好，经过其处理所得到的振幅包络与原始信号振幅一致。该变换定义如下式所示。

其中，h(t)＝1/πt，f(t)为回波信号，A(t)与分别为幅度及相位函数，ω为探头中心频率，则f(t)解析函数为：

Z(t)＝f(t)+jF(t) (2)

Z(t)与f(t)的相位、振幅函数均相同，则回波信号的瞬时包络为：

A(t)＝|Z(t)| (3)。

对于S扫成像来说，S扫在极坐标系中按角度增量进行扫查工作，而显示界面则以直角坐标系绘制图形，两者之间需要软件处理来进行相应的转换。通过数字扫描变换(DSC)进行坐标变换，如图7。

成像时，获取显示器像素在D中的坐标值(x_D，y_D)，将其在S中投影并获得(x_s，y_s)，对照极坐标系，找出该点在P中的位置，通过P中数据计算其像素值，此数值即为最终显示的像素值。

设(m，n)为待显示像素，该像素在D、S、P平面的坐标分别为(x，y)、(u，v)、(R，θ)，则三者之间的关系如下式所示。其中，x、y为x轴、y轴在显示平面中各自方向的数字量化单位长度。

x＝m·Δx，y＝n·Δy

u＝u₀+x，v＝v₀+y

对于最终成像的点，坐标变换之后，也许并不在S扫的原始扫描线上，也不在各采样点所处的深度，需要进行插值处理，以避免显示结果与实际存在过多偏差。采用双线性插值的方法得到所显示点对应的像素值，其原理如图8所示，通过距离该点最近的四个点来进行计算。

设P为极坐标系中对应于显示平面(x_D，y_D)的点，P_i，j、P_i，j+1、P_i+1，j、P_i+1，j+1是原始数据点中，与该点最近的四个坐标点。则P的像素值可通过下式计算：

其中，Δθ是S扫的角度步进，Δθ′是P与P_i，j间的夹角，ΔR是一线扫描中两相邻点之间的距离，ΔR′是梯度距离。

将极坐标进行数字量化处理，则对于该坐标系中的点(R，θ)有：

i′＝θ/Δθ+I/2

j′＝R/ΔR

其中，i′与j′不一定为整数，I为扫描线数，其余各项物理含义与式(5)相同。

令int()代表取整，并设i＝int(i′)，j＝int(j′)，i′＝i+di，j′＝j+dj，则式(5)可化为：

P_i，j＝(1-di)(1-dj)P_i，j+dj·(1-di)P_i，j+1+di·(1-dj)P_i+1，j+di·djP_i+1，j+1 (6)

如图10，实施例采用彩色图像对S扫结果进行显示，将回波信号的幅值映射为红绿蓝(RGB)三色分量，以颜色来区分幅值大小，在相应缺陷处得到较为明显直观的成像。在Qt中建立颜色表，通过向量容器进行色值的存储。

实施例***在搭建时充分考虑自身的便携性，基于超声相控阵技术原理，主控模块选用ARM芯片S5PV210，数据处理模块选用Cyclone IV系列FPGA芯片EP4CE15F17C8N，结合FPGA强大的数据处理能力与ARM优越的控制能力，人机交互模块采用基于Linux和Qt平台的嵌入式***设计方案。在软硬件通讯方面，使用DMA方式进行大量检测数据的回传，保证检测成像结果的实时性与准确性。

实施例中，信号处理模块根据延迟时间控制发射电路的激励，并对接收电路采集到的带有缺陷信息的检测回波信号进行实时处理，包括串并转换、延时补偿等操作。信号处理模块与主控模块之间的接口采用总线连接方式，结合中断与DMA进行数据传输。主控模块控制着***工作，主控模块为检测回波数据进行进一步的包络处理、坐标变换及色彩映射。

实施例***在搭建时充分考虑自身的便携性，基于超声相控阵技术原理，结合FPGA强大的数据处理能力与ARM优越的控制能力，采用基于Linux和Qt平台的嵌入式***设计方案。在软硬件通讯方面，使用DMA方式进行大量检测数据的回传，保证检测成像结果的实时性与准确性。

实施例中，信号处理模块与主控模块之间的接口采用总线连接方式，采用中断方式结合DMA传输，实现FPGA与ARM处理器的交互，完成两者之间配置数据的下发以及超声回波信号的传递。信号处理模块与主控模块之间采用结合中断与DMA方式进行数据传输，具体为：

进行相控超声检测时，经过前端收发电路处理的多路检测回波信号被送入FPGA中的M9K存储器，M9K存储器接收到所配置深度的数据后，向ARM处理器发出中断申请，通知其读取FPGA中存储的数据值。ARM处理器响应中断后，通过相应的中断处理程序进行FPGA中M9K存储器中数据的读取。为了使处理器能够尽快响应各中断，以处理更多事件，在中断处理程序中，优先清除S5PV210中的各中断相关寄存器的相应位。

实施例***，在中断后，使用DMA方式进行FPGA与ARM处理器之间的数据传输，在数据量较多的情况下，快速完成交互，不影响CPU的工作。S5PV210采用PL330DMA控制器，提供24通道，支持内存与内存、外设与内存间的相互通讯，使用时需要指定通道号。该控制器基于PrimeCell技术标准，提供高性能总线接口。由于FPGA挂载于ARM的SROM Bank5，处于S5PV210处理器的内存空间，则对于DMA控制器而言，二者之间的数据交互属于内存-内存模式。该模式下，可以通过程序主动发起DMA数据传输，而无需依赖DMAC控制器进行申请。DMA传输的软件配置流程如图6所示。

在DMA相关的驱动程序中，依然是先进行必要的初始化工作，主要即为所涉及到的一些寄存器的配置，包括该传输方式下的源地址、传输方向以及目标地址等等。在FPGA完成前端的检测回波信号的处理并存储进M9K后，申请IRQ_DMA0中断服务程序，对DMA中断请求进行响应。中断请求由应用程序响应，之后启动DMA，读取目标地址中的数据至源地址。

实施例***还包括供电模块，实现对信号处理模块、主控模块与人机交互模块的供电。

实施例中，相控阵超声探头由线性排列的多个阵元构成，能够通过不同的聚焦法则，产生各种角度与聚焦深度的超声波束。检测参数通过人机交互模块进行多项配置。聚焦法则能够通过***应用软件进行相应流程的设置。激励延时精度，结合***时钟频率及FPGA锁相环技术，使其达到了1ns。

如图2，该种超声相控阵检测成像***的检测过程为，

调整一维线性探头的排列方向与被检测工件的检测面垂直；相控阵超声探头固定放置在被检测工件表面，二者通过耦合剂进行耦合；主控模块的检测控制信息被转换为电脉冲信号，以不同的延迟时间分别激励相控阵超声探头的各探头阵元；根据设定的聚焦法则进行扫查工作，相控阵超声探头采集的检测回波信号经过信号处理模块处理后得到检测回波数据，并发送给主控模块，由主控***进行存储及成像。

该种超声相控阵检测成像***的检测过程具体为：

步骤1、安置被检测工件，确定其需要检测的部分，调整线性探头的排列方向与工件待检测面垂直，将相控阵超声探头放置于被检测工件上，并通过耦合剂将两者进行耦合；

步骤2、启动***主机，根据检测需求，通过人机交互模块设置探头参数与检测参数，完成后保存本次配置；

步骤3、启动检测，主控模块接收设定的检测参数，并根据相应的偏转聚焦法则计算探头阵元所需的发射时延，计算结果向发射控制电路传递，进而控制相控阵超声探头激发相应声束到被检对象；

步骤4、相控阵超声探头激励所产生的超声波束在被检测工件中传播，遇到其内部缺陷后被反射，该反射携带着缺陷信息，经由接收电路采集后，进入信号处理模块进行处理后得到检测回波信号；

步骤5、将检测回波信号传输至主控模块，对检测数据进行存储；

步骤6、在人机交互模块中进行相应的成像显示。

采用实施例***进行检测的结果如下：

对于A扫波形，在图9中可以看出，由于声波能量的损耗，随着传播距离的增加，其幅值会减小，所以，60mm处的缺陷信号幅值稍低于50mm处。***采样频率为50MHz，将两个缺陷所处高度值代入式可计出算50mm与60mm所对应的采样点分别为802与963，与显示结果基本吻合。

对于S扫成像，在图10中可以看出，50mm与60mm附近均显示出缺陷图形。取缺陷图像的中心与实际缺陷位置进行比对，可以发现，实际50mm处的缺陷在成像时显示于53.5mm处；实际60mm处的缺陷在成像时显示于63.25mm处。

取缺陷图像的中心与实际缺陷位置进行比对，可以发现，实际50mm处的缺陷在成像时显示于53.5mm处；实际60mm处的缺陷在成像时显示于63.25mm处。两者分别存在3.5mm与3.25mm的误差。

由以上检测结果可见，实施例***能够检测出试块缺陷，显示其对应位置。

Claims (9)

1.一种超声相控阵检测成像***，其特征在于：包括相控阵超声探头、收发电路、信号处理模块、主控模块和人机交互模块，相控阵超声探头通过收发电路连接信号处理模块，信号处理模块连接主控模块，主控模块连接人机交互模块，

相控阵超声探头：用以放置在被检测工件表面，并通过耦合剂与被检测工件耦合，依据设定的聚焦法则，产生对应角度与聚焦深度的超声波束；

收发电路：依据信号处理模块下发的电脉冲控制信号，产生电脉冲信号，并实现检测回波数据采集，包括发射电路和接收电路；

信号处理模块：实现主控模块的检测配置参数下发，负责控制发射电路的激励，将主控模块的检测控制信息转换为电脉冲控制信号，控制收发电路的发射电路，进而控制超声阵列探头激发相应声束到被检对象；超声波束遇到对象内部缺陷被反射，经由接收电路进行检测回波信号的采集后，对采集的检测回波信号进行处理后得到检测回波数据，并将检测回波数据回传给主控模块；

主控模块：对外接收用户信息，依据用户的配置参数，根据偏转聚焦法则计算发射时延，得到检测控制信息，并将检测控制信息发送给信号处理模块；接收信号处理模块发送的检测回波数据，进行存储并由人机交互模块进行显示；

人机交互模块：对设定的检测参数以及检测回波数据进行显示，实现人机交互，并通过Qt提供的事件与信号/槽机制和***的各模块进行交互。

2.如权利要求1所述的超声相控阵检测成像***，其特征在于：主控模块包括参数配置单元、数据通讯单元、数据处理单元和数据管理单元，

参数配置单元：接收来自用户的参数配置，包括探头参数以及检测参数，根据所选择的扫查方式，计算相应的延迟时间，该延迟时间用于相控激励以及后期波束合成，并将该延迟时间下发至信号处理模块进行前端收发电路的控制；

数据通信单元：完成对信号处理模块写检测参数，以及接收信号处理模块回传的检测回波数据；

数据处理模块：负责对检测回波数据进行成像显示前的处理操作；

数据管理单元：进行成像或配置数据的存储。

3.如权利要求2所述的超声相控阵检测成像***，其特征在于：主控模块的数据处理单元实现A扫波形和S扫成像两种成像方式，A扫波形显示探头所有阵元接收的超声回波经过延时补偿、声束合成而得到的单次扫查线；对A扫波形成像，采用Hilbert变换对回波信号进行包络处理；S扫成像显示探头正下方试块设定角度内的纵切面情况；对S扫波形成像，通过数字扫描变换进行坐标变换，采用双线性插值的方法得到所显示点对应的像素值，采用彩色图像对S扫结果进行显示，将回波信号的幅值映射为红绿蓝RGB三色分量，以颜色来区分幅值大小，在相应缺陷处得到直观的成像。

4.如权利要求3所述的超声相控阵检测成像***，其特征在于：信号处理模块依据主控模块的检测参数包括A扫查和S扫查进行配置参数下发，具体为，A扫查只有一线数据，只需要通过配置参数计算一次延时；而S扫查相当于进行多次不同偏转角度的A扫查，在各项检测参数配置后，对应每一次A扫查，重新计算延迟时间；设置S扫查时，每次进行一个角度的扫查，由主控模块计算所需的控制数据，下发给信号处理模块并启动一线数据的检测；声束返回后，通过中断配合DMA方式将数据进行回传，结束后，重复此过程进行下一个角度的扫查，直至达到检测参数配置值。

5.如权利要求1所述的超声相控阵检测成像***，其特征在于：主控模块采用ARM芯片S5PV210，数据处理模块采用FPGA芯片EP4CE15F17C8N。

6.如权利要求5所述的超声相控阵检测成像***，其特征在于：信号处理模块通过FPGA对检测回波信号进行处理包括串并转换、通道对齐，信号处理模块与主控模块之间的接口采用总线连接方式，信号处理模块与主控模块之间采用结合中断与DMA方式进行数据传输。

7.如权利要求6所述的超声相控阵检测成像***，其特征在于：信号处理模块与主控模块之间采用结合中断与DMA方式进行数据传输，具体为：

进行相控超声检测时，经过前端收发电路处理的多路检测回波信号被送入FPGA中的M9K存储器，M9K存储器接收到所配置深度的数据后，向ARM处理器发出中断申请，通知其读取FPGA中存储的数据值；

ARM处理器响应中断后，通过相应的中断处理程序进行FPGA中M9K存储器中数据的读取；在中断处理程序中，优先清除ARM处理器中的各中断相关寄存器的相应位；

在中断后，使用DMA方式进行FPGA与ARM处理器之间的数据传输，读取目标地址中的数据至源地址。

8.如权利要求1-7任一项所述的超声相控阵检测成像***，其特征在于：该种超声相控阵检测成像***的检测过程为，

调整一维线性探头的排列方向与被检测工件的检测面垂直；相控阵超声探头固定放置在被检测工件表面，二者通过耦合剂进行耦合；主控模块的检测控制信息被转换为电脉冲信号，以不同的延迟时间分别激励相控阵超声探头的各探头阵元；根据设定的聚焦法则进行扫查工作，相控阵超声探头采集的检测回波信号经过信号处理模块处理后得到检测回波数据，并发送给主控模块，由主控***进行存储及成像。

9.如权利要求8所述的超声相控阵检测成像***，其特征在于：该种超声相控阵检测成像***的检测过程具体为：

步骤1、安置被检测工件，确定其需要检测的部分，调整线性探头的排列方向与工件待检测面垂直，将相控阵超声探头放置于被检测工件上，并通过耦合剂将两者进行耦合；

步骤2、启动***主机，根据检测需求，通过人机交互模块设置探头参数与检测参数，完成后保存本次配置；

步骤3、启动检测，主控模块接收设定的检测参数，并根据相应的偏转聚焦法则计算探头阵元所需的发射时延，计算结果向发射控制电路传递，进而控制相控阵超声探头激发相应声束到被检对象；

步骤4、相控阵超声探头激励所产生的超声波束在被检测工件中传播，遇到其内部缺陷后被反射，该反射携带着缺陷信息，经由接收电路采集后，进入信号处理模块进行处理后得到检测回波信号；

步骤5、将检测回波信号传输至主控模块，对检测数据进行存储；

步骤6、在人机交互模块中进行相应的成像显示。